中科院黄富强和UCLA陈俊CRPS: 免封装可低温运行的聚合物水系钠离子电池

中科院黄富强和UCLA陈俊CRPS: 免封装可低温运行的聚合物水系钠离子电池在各种储能技术中,水性可充电钠离子电池(ASIBs)由于其含水电解质的固有安全性、非易燃性和低成本等特性而成为研究热点。然而,该类电池的发展受限于小的输出电势、低能量密度和较差的循环稳定性等因素。


为了突破该类电池发展的限制,现在很多研究者致力于盐包水(WIS)电解质的研究,该类电解质因其较宽的电化学窗口,较高的能量密度和出色的循环稳定性而获得了大量关注。然而,高浓度钠盐的成本较高、并且存在低温盐析的现象,因此开发低冰点、高离子电导率、宽电化学窗口的电解质适用于高压水系电池尤为重要。因此,中国科学院上海硅酸盐研究所、北京大学黄富强课题组和加州大学洛杉矶分校陈俊教授提出“water-in-ionogel” (WIG)-离子凝胶包水的电解质概念,通过氢键将H2O分子限制在双交联的离子凝胶网络中,通过加含氟添加剂降低冰点和促进电极电解液界面保护膜形成,实现高H2O含量(10wt% H2O),低盐浓度(2m NaTFSI),高工作电压(3.0V) 的WIG电解质,在零下25°C未聚合的凝胶电解质没有盐析现象,依然保持液体状态。进一步和氟掺杂的P2相锰基材料Na2/3Mn2/3Co1/3O1.98F0.02阴极和硬碳阳极组装聚合物水系钠离子电池,实现较好的低温性能。该文章发表在期刊Cell Reports Physical Science黄富强课题组硕士研究生荣景致和博士研究生蔡天逊,白宇舟为该论文的共同第一作者


【文献详情】

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图1. 氢键和含氟添加剂设计可低温宽电压窗口的“water-in-ionogel” (WIG)-离子凝胶包水的电解质

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图2. “Water-In-Ionogel”电解质电化学性质表征


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图3. 设计的氟掺杂NMCOF阴极的结构,亲疏水性和电化学性能


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图4. 低温电化学性能


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图5. 界面表征及结构衍变。


【总结】

研究者通过改变氢键和加入氟添加剂降低冰点的方法,设计了具有低盐浓度(2m NaTFSI)和高工作电压(3.0 V)的“water-in-ionogel” (WIG)-离子凝胶包水的电解质。采用P2型Na2/3Mn2/3Co1/3O1.98F0.02阴极和硬碳阳极的全电池在室温和-25℃下可以提供109和23.4 Wh·kg-1的高能量密度。此外,所开发的水性聚合物电池可以免封装甚至在水中运行。这项工作为设计低成本、可持续储能的高能量水系低温电池开辟了一条途径。


Jing-Zhi Rong, Tian-Xun Cai, Yu-Zhou Bai, Xun Zhao, Tong Wu, Ying-Kang Wu1WeiZhao, Wu-Jie Dong, Shu-Mao Xu, Jun Chen, Fu-Qiang,Huang, A free-sealed high-voltage aqueous polymeric sodium battery enabling operation at −25℃, Cell Reports Physical Science, 2022, https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2022.100805


团队近期相关工作链接:

水系钾离子超级电容器:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/marc.202200040

高压水系超级电容器:

https://downloads.spj.sciencemag.org/research/2020/4178179


作者介绍:

黄富强,博雅特聘教授,博士生导师,国家杰出青年基金项目获得者,中国化学会能源化学专业委员会主任,科技部重点领域创新团队负责人,万人计划创新领军人才,国家重点研发计划项目首席科学家;团队年轻学者获得国家优秀青年科学基金、中科院青年创新促进会优秀会员、上海市青年拔尖人才计划、上海市启明星计划等人才项目、国家”博新计划”、中科院超级博士后计划、上海市超级博士后计划等青年人才计划资助,共承担国家NSFC项目20余项目。研究团队在Science, Nat. Phys., Nat. Mater., Adv. Mater., JACS, Angew. Chem. Int. Ed., Nat. Commun.等期刊发表论文600余篇;曾承担国家重点研发计划、十三五重点项目、科技部973和863等重点项目;中国发明专利授权120余项,国外发明专利授权20余项。


课题组主页:

http://www.skl.sic.cas.cn/yjly/nyhj/hfq/sy/


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参考文献: